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CONCEPTION DES CIRCUITS IMPRIMÉS Page : 1/17 CONCEPTION DES CIRCUITS IMPRIMÉS P

CONCEPTION DES CIRCUITS IMPRIMÉS Page : 1/17 CONCEPTION DES CIRCUITS IMPRIMÉS Par D. MULLER (Sté IFTEC) Cet exposé est consacré à l'étude des moyens et des méthodes permettant de définir et d'obtenir les des- sins correspondants au futur circuit imprimé. Le point de départ est le schéma de principe de la fonction électronique à mettre en carte. Le but est le dessin des éléments de la carte de circuit imprimé, soit:  le tracé des pistes pour chaque face,  le repérage des composants,  les zones d'épargne soudure,  les plans d'usinage. Pour mener à bien l'étude d'un circuit, il faut tenir compte de plusieurs critères. Certains sont d'ordre électrique, thermique, mécanique, d'autres sont les normalisations, les contraintes de standardisation, les critères de fabrication et ceux relatifs aux composants. La difficulté d'une conception est due au fait que tous ces paramètres interviennent en même temps par leur interaction, ce qui oblige le concepteur à les connaître à fond avant d'agir, et surtout à avoir un bon entraînement mental à ce type de réflexion. En définitive, une bonne conception ne peut être réalisée que par un concepteur expérimenté. L'exposé qui va suivre n'a pas la prétention d'apprendre à concevoir des circuits. Il indiquera seulement aux débutants quels sont les paramètres dont il faut tenir compte et comment les calculer. Ce sont uni- quement les bases de la conception, le reste venant par la pratique d'une certaine gymnastique intellec- tuelle. Les compléments techniques à cet exposé peuvent être trouvés dans les normes françaises NCF 93713, UTE 93703 entre autres. 1) ÉTUDE DU TRACÉ Le tracé des pistes, également appelé impression conductrice, est le cheminement de cuivre réalisant l'in- terconnexion électrique des composants. Cette liaison de cuivre relie donc deux ou plusieurs broches de composants. Dans le cas le plus simple. la piste va de la patte x à la patte y, (Fig. 1 page 10), et s1arrète à la proximité de la patte. La jonction à la patte sera terminée ultérieurement par un joint de soudure. On re- marque que les ensembles trou/pastille sont les points de repère du tracé. Ils conditionnent l'insertion des composants, d'une part, et le passage des pistes d'autre part. Ce sont donc les trous qui serviront de réfé- rence à l'étude du tracé, et également aux contrôles dimensionnels. Les trous sont positionnés par l'im- plantation des composants. PARAMÊTRES ÉLECTRIQUES Une plaque de circuit imprimé est composée d'un support isolant sur lequel circulent des pistes de cuivre. A ce sujet, plusieurs éléments sont à déterminer. Ces éléments sont reportés sur la figure 2 page 10. 1-) - Isolement entre deux parties conductrices Aucune matière n'est parfaitement isolante et si on applique une différence de potentiel entre deux points, il existera toujours un courant de fuite circulant dans la matière entre les deux points. La connaissance des paramètres agissant sur les courants de fuite permettra de calculer les espacements minimums à respecter entre deux pistes pour que celui-ci soit sans effet sur le fonctionnement du montage électronique. Si le courant de fuite est important, (pistes trop rapprochées), on s'expose à un fonctionnement instable, à des signaux déformés par amortissement, des vitesses de transfert ralenties, et des réglages présentant des H:\cours\Circuits Imprimés\CONCEPTION DES CIRCUITS imprimés.doc jj/03/OO 21:54 D. LADURELLE Lycée Technique VAUCANSON. CONCEPTION DES CIRCUITS IMPRIMÉS Page : 2/17 variations aléatoires. Ces résistances parasites existent entre deux pistes de la même face, ("Ris" = résistance d'isolement super- ficiel), et entre deux pistes à deux niveaux différents ("Rit" = résistance d'isolement transversal). Ces ré- sistances sont fonction de la résistivité spécifique de la matière isolante et des souillures introduites par les procédés de fabrication du circuit qui jouent un rôle important sur la résistivité de surface. Il en est de même des conditions de fonctionnement de la carte électronique : humidité de l'air et altitude. Dans la mesure ou le circuit est bien décontaminé après fabrication, et parfaitement sec, il est possible d'appliquer la relation suivante: L e RIS ρ 160 = Ris = Résistance d'isolement superficiel, ρ = Résistivité de la matière, spécifiée dans la norme NCF 93711 e = Espacement des pistes (mm) L = Longueur en regard des conducteurs parallèles En ce qui concerne la résistance transversale, Rit, c'est une combinaison de la résistance de surface et de la résistance volumique. Il est possible de déterminer rapidement ces paramètres en faisant un essai sur la matière elle-même. L'éprouvette de mesure est gravée par un procédé traditionnel selon le plan de la figure 3 page 10. Les mesures de Ris et de Rit y sont faites sous une tension de 500 V ± 50 V à l'aide d'un galvanomètre branché selon la figure 3. Le graphique de la figure 4 page 11 indique l'espacement minimal des conducteurs en fonction de la tension nominale entre eux, ainsi que la tension disruptive correspondante. On voit par exemple que deux pistes présentant une différence de potentiel de 100 V devront avoir un écartement minimum de 0,5 mm, ce qui donne une tension disruptive de 1 500 V en 50 Hz. ou de 2 500 V en courant continu. Dans le cas où les pistes véhiculeraient des impulsions à fronts rapides ou des tensions de commutation, il ne faut pas oublier que les résistances d'isolement provoquent des amortissements allongeant les temps de commutation, ce qui déforme les signaux et ralentit la vitesse de transfert des informations. Il faut nécessairement tenir compte de ce phénomène dans la conception des circuits rapides, tels que les calculateurs, l'informatique, la commutation. 2-) - Intensité admissible dans une piste, largeur de piste Une piste de section S donnée (épaisseur * largeur) et de longueur L, présente une résistance R = ρ * L/S (ρ étant la résistivité du métal). Quand un courant i circule dans une piste, il s'y produit un dégagement de chaleur tel que W = R * i² * t (dans le cas d'un courant continu) soit une puissance calorifique de P = R * I2 Watts. Or, on sait que 1W = 1J/s et que 1J = 1/4,18 calories. Donc, à chaque seconde, il se produit 0,24 R * i2 calories dans la piste en question. Ces calories sont en partie absorbées par le support isolant qui est en contact étroit avec une face de la piste. Ce support joue le rôle d'un refroidisseur et les calories y sont évacuées par l'intermédiaire de la jonction cuivre/support. Cette jonction n'offre pas une conduction thermique parfaite et il y a donc tou- jours une différence de température entre le cuivre et son support, (Fig. 5 page 12). Si l'on suppose que le support reste à la température ambiante, la piste présentera alors une élévation de température. Mais puisque la température de la piste s'élève, la résistance de cette piste va augmenter selon la loi classique : R2 = R1 * [1 +(T2 -T1)] Pour limiter l'échauffement qui risque de détériorer le circuit, il faut calculer la section de la piste de fa- çon à diminuer la résistance R. L'épaisseur du cuivre étant fixe, on calcule la largeur de la piste en fonc- tion du courant à y faire passer. A titre indicatif, une densité de courant de 27 A/mm2 de section dans du cuivre de 35 µm d'épaisseur provoque un échauffement ce 8 0C par rapport à l'ambiante. Des abaques pratiques permettent de faire un choix rapide ce la largeur (Fig. 5). CONCEPTION DES CIRCUITS IMPRIMÉS Page : 3/17 Remarque : Le fait de doubler l'épaisseur du cuivre ne permet pas de diviser par deux la largeur de la piste. En effet, pour la même section et la même quantité de chaleur produite, la surface d'échange avec le support est plus faible, donc l'évacuation des calories moins efficace d'où élévation de température plus importante. 3-) - Capacité et inductance entre deux pistes La capacité et 'inductance entre deux pistes parallèles provoquent des couplages qui ont pour résultat de reproduire sur une piste les informations qui circulent sur l'autre piste. C'est le phénomène de "diapho- nie". Ce phénomène peut provoquer le mélange des conversations sur des lignes par effet de proximité. Au niveau de l'électronique industrielle, il y aura des erreurs d'adresse, d'information et des réactions d'une fonction sur l'autre. a) - La Capacité parasite peut être calculée par la relation classique : C = 8,85 Er e S * 10 −12 Farads C = capacité en Farads (F) S = surface des pistes en regard (m2) e = espacement des pistes (m) Er = permittivité relative de l'isolant (voir NCF 93 711, fiche particulière de la matière considérée). En général, Er ≤ 5. Elle se fait particulièrement sentir entre les pistes parallèles sur les couches différentes, car la surface en regard peut devenir importante. b) - L'Inductance est toujours présente sur deux pistes parallèles rapprochées, qu'elles soient sur la même face ou sur deux couches différentes. Le mode de calcul étant relativement complexe, il est pratique d'uti- liser les graphiques existants publiés dans le guide UTE C 93 703 (Union Technique de l'Electricité). Pour information, uploads/Ingenierie_Lourd/ conception-des-circuits-imprimes.pdf